Slim ontworpen koolstof nanohoop maakt gecontroleerde afgifte van ijzer mogelijk

Onderzoekers van de universiteiten van Amsterdam en Zürich hebben een moleculair systeem ontwikkeld voor de gecontroleerde afgifte van ijzer. Ze integreerden Ferroceen, een moleculair sandwich dat een ijzeren atoom omsluit, met een koolstof “nanohoop”.

Als gevolg hiervan maakt het systeem de release van Fe mogelijk²⁺ ionen na activering met goedaardig groen licht. De studie is gepubliceerd in de Journal of the American Chemical Society ((Jacs).

Het onderzoek werd uitgevoerd door de groepen Dr. Tomáš Šolomek aan het Van ‘T Hoff Institute for Molecular Sciences en Dr. Peter Štacko van de Universiteit van Amsterdam aan de Universiteit van Zürich (Afdeling Chemie). Hun expertise ligt in fotokagen, moleculaire fotochemische hulpmiddelen die nauwkeurige controle bieden over substraatactiviteit in tijd en ruimte met behulp van licht als een bio-orthogonale stimulus.

Fotoceren kunnen de activering van biologisch significante moleculen zoals eiwitten, nucleotiden of geneesmiddelen mogelijk maken. Ze zijn niet alleen een geweldig hulpmiddel om mechanismen en dynamiek van biochemische processen te bestuderen, ze hebben ook potentieel voor therapeutische toepassingen zoals foto -geactiveerde chemotherapie.

In het onderzoek nu gepubliceerd in Jacsde onderzoekers verlegden hun focus van het beheersen van de activiteit van organische moleculen naar een andere cruciale component in veel biologische systemen: ijzer. Bekend om zijn rol in zuurstoftransport in het menselijk lichaam, speelt het ook een cruciale rol in de energie-opleverende redoxprocessen in mitochondriën, bij de synthese van deoxyribonucleotiden, of bij het beschermen van cellen tegen oxidatieve stress.

Door spanning geïnduceerde fotorelease

De natuur heeft een eiwitgebaseerd systeem ontwikkeld om de opname en balans van ijzer strak te reguleren. In hun artikel presenteren de onderzoekers een minder geavanceerd maar volledig functioneel synthetisch equivalent dat ijzer opslaat en het ‘on demand’ vrijgeeft.

Het systeem is gebaseerd op het gebruik van ferroceen als de ijzeren drager en maakt het mogelijk om zijn functie te beheersen door het te integreren in een koolstof nanohoop. Ferroceen is een organometallic “sandwichcomplex” dat een ijzeratoom stevig vasthoudt tussen twee cyclopentadienylringen. Op zichzelf is het chemisch stabiel en bestand tegen licht. Het opnemen ervan in een moleculaire nanohoop verandert dit echter.

Wanneer de twee cyclopentadienylringen zijn verbonden door middel van zes gekoppelde benzeenringen (een cycloparafenyleen nanohoop), komt er een systeem op dat controle over de ijzeren insluiting mogelijk maakt.

Hoewel conformationeel stabiel, draait de integratie de gehele nanohoopstructuur en oefent het een grote mechanische spanning uit op het ferroceen. Als gevolg hiervan wordt het systeem vatbaar voor bestraling met groen licht, wat resulteert in de afgifte van ijzer.

In hun artikel beschrijven de onderzoekers hoe het ijzer met veel efficiëntie kan worden vrijgegeven bij bestraling. Ze verwachten dat deze strategie van het introduceren van mechanische stress in moleculen om grote belofte te bieden, ook verder dan het rijk van de fotokagen.

Het kan bijvoorbeeld mogelijk de ontwikkeling van nieuwe responsieve materialen in supramoleculaire, organometallische of polymeerchemie mogelijk maken.